摘要：分析VRLA蓄電池運行中影響其性能的諸多因素，并就蓄電池人工檢測與在線監(jiān)測的技術(shù)加以比較，提出蓄電池維護中以內(nèi)阻在線監(jiān)測為主的解決方案。

前言：隨著我國通訊、電力、UpS等行業(yè)的迅猛發(fā)展，免維護蓄電池的用量也在快速增加，其性能狀況的優(yōu)劣對于保證后備直流電源的正常運行尤為重要，但同時各種問題也逐漸顯現(xiàn)：

?使用壽命比預計的要短；?個別電池失效導致整組電池失效；?突發(fā)性的電池故障很難保證及時發(fā)現(xiàn)；?電池放電測試的風險很高；?由于現(xiàn)場條件限制，很難進行手工檢測，測試數(shù)據(jù)分析需要運維人員具有很高的專業(yè)水準；?無人職守站（所）的日常檢查費用很高；?缺乏科學、有效的監(jiān)測管理手段，對蓄電池的合理使用不能及時作出準確的判斷；?具有“電池管理功能”的電源設備，沒有真正起到電池管理者的作用。

有關(guān)資料表明，蓄電池使用3--4年后，大部分很難通過容量檢測，只有少數(shù)能超過6年。而實際使用中，只有很少用戶定期檢查蓄電池并對蓄電池作定期容量測試，很多情況是在停電后才發(fā)現(xiàn)蓄電池放電容量達不到設計要求，甚至有的電池組的容量達不到額定容量的50%還在繼續(xù)“工作”。

這就說明，蓄電池用戶迫切需要能夠?qū)崟r在線監(jiān)測蓄電池性能狀況，蓄電池在線監(jiān)測設備對蓄電池的管理有重要的意義。

一、影響蓄電池性能的因素1.影響蓄電池質(zhì)量的技術(shù)問題1）電池構(gòu)成VRLA電池由正極板、負極板、AGM隔膜、正負匯流條、電解液、安全閥、蓋和殼組成。其中正極板柵厚度、合金成份、AGM隔膜厚度均勻性、匯流條合金、電解液量、安全閥開閉壓力、殼蓋材料、電池生產(chǎn)工藝等對電池壽命和容量均勻性具有重要影響。

2）板柵合金VRLA電池負板柵合金一般為pb-Ca系列合金，正板柵合金有pb－Ca系列、pb-Sb（低）系列和純pb等，其中pb-Ca、pb-Sb（低）合金正板柵電池浮充壽命相近，但循環(huán)壽命相差較大，對于經(jīng)常停電地區(qū)選用低銻合金電池可靠性好。

3）板柵厚度極板的正板柵厚度決定電池的設計壽命。

4）安全閥安全閥是電池的一個關(guān)鍵部件，具有濾酸、防爆和單向開放功能，YD／T7991996規(guī)定安全開閉壓力范圍為1－49kpa，但是，對于長壽命電池，必須考慮單向密封，防止空氣進人電池內(nèi)部，同時防止內(nèi)部水蒸氣在較高溫度下跑掉。

5）AGM隔膜隔膜孔隙率和厚度均勻性，直接影響隔膜吸酸飽和度和裝配壓縮比，從而影響電池壽命和容量均勻性。

6）殼蓋材料VRLA電池殼蓋材料有pp、ABS和pVC，pp材料相對較好。

7）酸量和化成工藝分為電池化成和槽化成兩種，電池化成可以定量注酸并記錄每個電池單體化成全過程數(shù)據(jù)，能準確判斷每個出廠電池綜合生產(chǎn)質(zhì)量狀況，但化成時間較長。槽化成是對極板化成，化成時間短，極板化成較充分，但對電池組裝質(zhì)量不能通過化成過程數(shù)據(jù)記錄判斷。

8）涂板工藝涂板工藝要保證極板厚度和每片極板活性物質(zhì)的均勻性。

9）密封技術(shù)VRLA電池密封技術(shù)包括極柱密封、殼蓋材料透水性、殼蓋密封和安全閥密封。

10）氧復合效率AGM電池具有良好的氧復合效率，貧液狀態(tài)下按有關(guān)標準測試氧復合效率一般大于98％，因此具有良好的免維護性能。

2．影響蓄電池壽命的環(huán)境因素1）環(huán)境溫度蓄電池正常運行的溫度是20～40℃，最佳運行溫度是25℃。當溫度每升高5℃，蓄電池的使用壽命降低10%，且容易發(fā)生熱失控。

2）環(huán)境濕度蓄電池的運行濕度應該在5～95%（不結(jié)露）之間，環(huán)境濕度過高，會在蓄電池表面結(jié)露，容易出現(xiàn)短路；環(huán)境濕度過低，容易產(chǎn)生靜電。

3）灰塵灰塵過多，容易使蓄電池短路，安全閥堵塞失效。

3．蓄電池失效模式1）電池失水閥控式鉛酸蓄電池不逸出氣體是有條件的，即：電池在存放期間內(nèi)應無氣體逸出；充電電壓在2.35V／單體（25℃）以下應無氣體逸出；放電期間內(nèi)應無氣體逸出。但當充電電壓超過2.35V／單體時就有可能使氣體逸出,此時電池體內(nèi)短時間產(chǎn)生了大量氣體來不及被負極吸收，壓力超過某個值時，便開始通過單向排氣閥排氣，排出的氣體雖然經(jīng)過濾酸墊濾掉了酸霧，但畢竟使電池損失了氣體（也就是失水），所以閥控式密封鉛酸蓄電池充電不能過充電。

2）負極板硫酸化當閥控式密封鉛酸蓄電池的荷電不足時，在電池的正負極柵板上就有pbSO4這一現(xiàn)象稱為活性物質(zhì)的硫酸化，硫酸化使電池的活性物質(zhì)減少，降低電池的有效容量，也影響電池的氣體吸收能力，久之就會使電池失效。

3）正極板腐蝕由于電池失水，造成電解液比重增高，過強的電解液酸性加劇正極板腐蝕。

4）熱失控熱失控是指蓄電池在恒壓充電時，充電電流和電池溫度發(fā)生一種累積性的增強作用，并逐步損壞蓄電池。從目前蓄電池使用的狀況調(diào)查來看，熱失控是蓄電池失效的主要原因之一。熱失控的直接后果是蓄電池的外殼鼓包、漏氣，電池容量下降，嚴重的還會引起極板形變，最后失效。浮充電壓是蓄電池長期使用的充電電壓，是影響電池壽命至關(guān)重要的因素。一般情況下，浮充電壓定為2.23~2.25V/單體（25℃）比較合適。

4.蓄電池在后備電源運行中存在問題1）蓄電池壽命無法達到設計要求在實際中，蓄電池在三年時就會出現(xiàn)嚴重劣化，使用超過5年的蓄電池很少。原因是在使用中對蓄電池沒有有效、合理地進行管理以及維護，造成蓄電池在早期出現(xiàn)劣化，并且沒有及時發(fā)現(xiàn)落后電池，致使劣化積累、加劇，導致蓄電池過早報廢。

2）對蓄電池的運行情況、性能狀況不明蓄電池組中如果有落后的蓄電池，可以通過一定深度的放電、充電循環(huán)，在一定程度上減少落后的差別。但由于沒有良好的管理手段，對于蓄電池內(nèi)部性能參數(shù)，如蓄電池的內(nèi)阻、當前的剩余容量，無法十分清楚地了解，所以相應的措施就無法實施。

3）對于單體電池而言，充電機制可靠性需要完善由于目前國內(nèi)直流系統(tǒng)的充電機制不是非常的完善，在實際中存在電壓漂移的情況，蓄電池長期處于浮沖狀態(tài)，如果浮沖電壓偏離正常的范圍，就會造成蓄電池的過充或欠充，長期的過充或欠充對于蓄電池的性能影響非常大。

4）單體電池之間不均衡目前蓄電池組由數(shù)量很多的單體電池組成，實際運行中存在單體電池之間充電電壓、內(nèi)阻等差異較大的情況，特別是在浮充下，這種不均衡現(xiàn)象顯得非常嚴重。個別落后電池充電不完全，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)并處理，這種落后就會加劇。如此反復，這種不均衡就加重，致使落后電池失效，從而引起整組蓄電池的容量過早喪失。

5）無人值守站點的維護工作缺乏良好的管理監(jiān)測手段對于許多無人值守的站點，由于沒有網(wǎng)絡管理監(jiān)測的手段，對于蓄電池的維護更加薄弱，特別是對于蓄電池的運行情況以及性能狀況，不能清楚的了解。大量的維護與管理工作由人工進行，同時數(shù)據(jù)的整理與分析需要維護人員有較強的專業(yè)知識。

6）蓄電池終止壽命無法提前判斷以及蓄電池的更換缺乏科學的依據(jù)我們對于蓄電池的壽命終止，希望能夠提前作出判斷，為蓄電池的更換贏得時間。但目前對于蓄電池壽命的終止，沒有一個可靠的手段，僅僅根據(jù)多年的經(jīng)驗來進行。所以在實際中，往往是蓄電池放電的容量低于最低要求后，才在放電中發(fā)現(xiàn)蓄電池的壽命終止。

二、蓄電池人工檢測與在線監(jiān)測的技術(shù)比較1．人工檢測目前大部分都采用人工檢查的方法，來實現(xiàn)蓄電池的維護。該方法除了放電測試外，人工測量主要是測量電池組電壓、單電池電壓、溫度和單電池內(nèi)阻。電池組電壓測量可以發(fā)現(xiàn)充電機的參數(shù)設置是否正確。由于蓄電池是串聯(lián)運行，整組電池的電壓由充電機的輸出來決定。單電池電壓監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)單電池浮充電壓不正確，單電池是否被過充電、過放電等情況。溫度測量可以發(fā)現(xiàn)電池的工作環(huán)境是否通風不良、溫度過高。電池內(nèi)阻能夠反映電池的容量下降和電池老化。不同廠家的內(nèi)阻測試儀的準確度和抗干擾能力差別很大；由于采用的工作頻率不同，其讀數(shù)值也會有差別；尤其是測量夾具很難與電池端子直接接觸，測量值往往包括連接電阻。

人工測量存在眾多不足：a、人工測量的準確度會受到諸多因素的影響；b、由于人工測試大都為定期進行，無法及時發(fā)現(xiàn)落后、失效蓄電池；c、放電測試對蓄電池會造成無法恢復的傷害隱患；d、大量的人工測量費時費力，安全性差，周期長。

2．蓄電池的在線監(jiān)測蓄電池在線監(jiān)測管理是針對測量電池的運行條件和檢測電池本身的狀況而設計的，其發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段：①整組電壓監(jiān)測、②單電池電壓監(jiān)測、③單電池內(nèi)阻巡檢

1）整組電壓監(jiān)測整組電池監(jiān)測功能一般設計在整流電源內(nèi)，測量電池組的電壓，電流和溫度，進行充電和放電管理，尤其是根據(jù)環(huán)境溫度變化調(diào)整電池的浮充電壓，在電池放電時電池組電壓低至某下限時報警，現(xiàn)在的UpS仍然采用該方法。

但是整組監(jiān)測存在較大的不足,如在蓄電池組放電時,放電的截止電壓是N×1.8V/只(N為蓄電池數(shù)量),但是由于蓄電池組中蓄電池的一致性無法嚴格保證，因此在放電中當個別電池已經(jīng)達到放電截止電壓，但電池組并沒有達到N×1.8V/只，這樣就會出現(xiàn)個別電池過放電。

2）單電池電壓監(jiān)測全電子式的監(jiān)測，對蓄電池的運行情況可以作到較為全面的監(jiān)測與管理，如單電池電壓、電池組電壓、充放電電流、蓄電池的環(huán)境溫度等。通過蓄電池運行參數(shù)的監(jiān)測，可以保證蓄電池在正常條件下的運行與工作。但當蓄電池運行條件無法保障的前提下，蓄電池運行參數(shù)的監(jiān)測是無法反映其性能參數(shù)的。

3）單電池內(nèi)阻監(jiān)測電池總內(nèi)阻是電荷轉(zhuǎn)移電阻與各部件歐姆電阻的總和，實驗表明：歐姆阻抗是電池早期失效的最大隱患。

以下是最通常的影響內(nèi)阻變化的因素：腐蝕隨柵板和匯流排的腐蝕，金屬導電回路變化，使內(nèi)阻增大。柵板腐蝕和長年使用會導致活性物質(zhì)從柵板上脫落，使內(nèi)阻增大。硫化隨一部分活性物質(zhì)硫化，涂膏的電阻亦增加。電池干涸由于VRLA電池無法加水，失水可能使電池報廢。制造制造缺限，如鑄鉛和涂膏，都能導致高的金屬電阻和容量問題。充電狀態(tài)從浮充狀態(tài)到20%容量的放電，幾乎不影響內(nèi)阻。實驗表明20%的放電對內(nèi)阻的影響小于3%。溫度39℃以內(nèi)的高溫對電池內(nèi)阻影響甚微，低溫有些影響，但需到18℃以下。

實驗表明，內(nèi)阻比基準值高出50%的電池，不能通過標準的容量測試，VRLA電池是一個接一個地失效。使用3~4年的電池組，各個內(nèi)阻值分布高于基線值的0~100%也是常事。高放電速率下的使用時間似乎對這些因素更為敏感，一般電池內(nèi)阻增加20~25%時就到了壽命期限。在低放電速率下，電池內(nèi)阻一般增加20~35%后壽命才結(jié)束。

現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)表明，個別電池的內(nèi)阻偏離平均值的25%時，就應該做一次放電容量測試了。將溫度傳感器置于電池表面可以發(fā)現(xiàn)電池過熱，從而及時發(fā)現(xiàn)電池運行過程的異常。

4）內(nèi)阻測試方法電池監(jiān)測設備廠商近幾年陸續(xù)推出了對單電池進行內(nèi)阻監(jiān)測的產(chǎn)品，由此帶來電池監(jiān)測技術(shù)的質(zhì)變，即由被動監(jiān)測電壓到主動測試電池內(nèi)部狀態(tài)。內(nèi)阻巡檢一方面可以監(jiān)測蓄電池的電壓、電流、溫度等運行參數(shù)，另一方面可以通過內(nèi)阻的監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)蓄電池的健康程度。

在線內(nèi)阻測試技術(shù)難度大，各廠家的具體實現(xiàn)技術(shù)各有特點，其內(nèi)阻準確度和抗干擾能力差別也很大。內(nèi)阻實時在線監(jiān)測的方法歸為兩類：直流放電法、交流法。?

直流放電法直流法是以在瞬間大電流放電（70A）測量電池電壓降，由此得到蓄電池的內(nèi)阻，并通過蓄電池內(nèi)阻變化的情況分析蓄電池落后情況或失效趨勢，同時并輔以電壓、電流等運行參數(shù)的監(jiān)測，是目前比較領先的監(jiān)測技術(shù)。

直流法存在的不足之處：a)采用大電流的放電，對蓄電池性能會帶來一定的損害；如果測量頻度較大，則這種損害又會累積；b)直流法只能測量蓄電池內(nèi)阻中的歐姆阻抗，對極化阻抗則無法測量。判斷蓄電池的失效、落后是不充分的；c)同蓄電池的連線需10平方毫米以上，連線方式要求較高。放電器及連線的可靠性要求要高。?

交流法近幾年隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，使有效地消除其他電磁信號干擾成為可能，突破性解決交流法在實際應用中的難題，從而使該方法在實際工作得以應用。交流法就是向蓄電池注入一定頻率的交流信號，由于蓄電池內(nèi)部存在阻抗，然后測量其反饋的電流信號，進行信號處理，比較注入信號與反饋信號的差異，從而測得蓄電池內(nèi)阻。

交流法特點：a）由于無需放電，避免了大電流放電對蓄電池性能的損害。b）由于無需使蓄電池脫機或靜態(tài)，避免了系統(tǒng)安全性的隱患，真正實現(xiàn)實時在線測量。c）交流法同時測量蓄電池的歐姆阻抗和極化阻抗，使對蓄電池健康度的分析更加真實、可靠。d）由于沒有負載，其成本大大減少。

三、蓄電池在線監(jiān)測解決方案LEM公司針對以上因素，研發(fā)出一種行之有效的蓄電池在線監(jiān)測解決方案，以智能化與網(wǎng)絡化的形式，通過對蓄電池內(nèi)阻、電壓、溫度及充放電電流的監(jiān)測，真實有效地反映蓄電池的健康狀況，從而及時發(fā)現(xiàn)落后蓄電池，提早預防蓄電池故障的發(fā)生，為蓄電池的安全運行與維護提供科學、準確的依據(jù)，解除用戶的后顧之憂。

1．核心元件Sentinel傳感器模塊Sentinel是蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)中的核心元件，可以同時測量所連接的單體電池的三個與電池性能相關(guān)的重要參數(shù)：電壓、溫度及阻抗，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過總線方式，與控制器進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)及命令的傳輸。?

溫度測量，國際標準IEEE1188中規(guī)定，溫度是固定型蓄電池定期維護中必要檢測的參數(shù)之一。

溫度是影響蓄電池壽命的環(huán)境因素，蓄電池一般是按標準環(huán)境溫度25℃設計的，其理想的工作范圍是21-27℃，當工作于較低的溫度時，蓄電池放電容量達不到額定容量，備用放電時間減少；當工作于較高的溫度時，蓄電池壽命將會縮短。

Sentinel內(nèi)置有溫度測量元件，直接粘附于蓄電池體上，隨時監(jiān)測電池的溫度，及時發(fā)現(xiàn)電池過熱現(xiàn)象。?電壓測量，是蓄電池的主要運行參數(shù)，蓄電池電壓監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)蓄電池浮充電壓是否正確，蓄電池是否被過充電、過放電。

Sentinel并接在單體蓄電池的正負極，實時測量蓄電池不同狀態(tài)下的端電壓，測量范圍為0.90至16VDC。由于Sentinel由單體電池組直接供電，電流消耗非常低，無需外接工作電源。?

內(nèi)阻測量，是針對蓄電池失效模式進行檢測的最有效參數(shù)。蓄電池內(nèi)阻的變化趨勢可以反映蓄電池的容量是否下降和電池是否老化。

在實際應用中，充電機的正確工作不能等同于每個單電池的工作狀態(tài)正常，并且蓄電池的端電壓并不能真實地反映蓄電池的容量特性，對于容量嚴重下降的蓄電池，其浮充電壓的區(qū)別不足以用來判斷蓄電池是否因容量降低而失效。實際上只有通過定期對電池組放電，才能了解蓄電池的容量狀態(tài)，但此時發(fā)現(xiàn)的落后蓄電池早已進入壽命后期，只能給用戶提供一個滯后的信息，而蓄電池組已經(jīng)起不到備份作用了。

大量的實驗數(shù)據(jù)表明，老化蓄電池的內(nèi)阻和放電能力之間存在著一定的關(guān)系，內(nèi)阻的劇升同電池容量的減少有關(guān)（圖2），尤其是在蓄電池壽命未到80%的時候更為明顯。用內(nèi)阻測試來考核蓄電池的狀況是一種相當可靠的方法。

Sentinel采用四線法測量，對蓄電池進行小脈沖電流放電（圖3），電流最大12A，保證蓄電池電壓的響應來源于蓄電池本身的能量層，通過LEM特有的算法，得到可靠的內(nèi)阻測量，以檢測蓄電池的老化和潛在的失效問題。測量范圍：0.05~250mΩ。

圖3：LEM電阻測試法通過與美國AACHEN大學試驗室設備作比對測試，兩種測試設備得到了非常接近的測試數(shù)據(jù)（圖4），從測試數(shù)據(jù)看，LEMSentinel蓄電池內(nèi)阻測量結(jié)果準確、可靠，可以真實地反映出蓄電池的健康狀況。

圖4：LEMSentinel與AACHEN實驗設備測試數(shù)據(jù)

2．LEMSentinel蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)

圖1LEMSentinel電池在線監(jiān)測系統(tǒng)框圖由于無人值守站點的增多，蓄電池在線監(jiān)測的智能化，網(wǎng)絡化已成趨勢。LEMSentinel蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)通過對蓄電池參數(shù)的在線測量，用RS232或網(wǎng)絡（Ip）實現(xiàn)pC與測量模塊的通信，由監(jiān)測軟件對采集數(shù)據(jù)進行計算、分析，以圖型和狀態(tài)表的形式展現(xiàn)蓄電池的運行狀態(tài)。LEMSentinel蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)功能：

測量功能：連續(xù)監(jiān)測蓄電池的充、放電全過程中的電流、電壓、溫度運行參數(shù)，定時監(jiān)測蓄電池的內(nèi)阻，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

通訊功能：通過串行總線實現(xiàn)Sentinel和控制器之間的通訊。每個控制器最多可接254個Sentinel,每個Sentinel擁有唯一的地址（ID），通訊方式靈活，控制器可以直接與pC連接，也可以通過以太網(wǎng)或局域網(wǎng)通訊，Webserver功能，可以讓用戶隨時隨地了解蓄電池的狀態(tài)。

分析功能：監(jiān)測軟件對采集的蓄電池參數(shù)記錄、分析，以不同的工作模式（正常、放電、充電），用圖形與狀態(tài)表的形式反應不同的蓄電池健康狀況（圖5，圖6，圖7）。

報警功能：對蓄電池的電壓、溫度、過充、過放等不正常的狀態(tài)，在監(jiān)測軟件中有報警顯示的同時，控制器上會有相應的報警節(jié)點輸出，方便用戶接入報警系統(tǒng)。

3．LEMSentinel蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢1)實現(xiàn)對蓄電池運行中參數(shù)的實時、在線監(jiān)測，對于可能發(fā)生的問題，作到提前判斷，及早預防，及時處理。2）測量數(shù)據(jù)重復性好，避免了人工測試數(shù)據(jù)的偶然性,實現(xiàn)蓄電池參數(shù)的連續(xù)測量，形成歷史數(shù)據(jù)記錄曲線，用戶根據(jù)運行參數(shù)的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)和預防蓄電池的缺陷。3）一次性安分布式安裝，模塊與蓄電池一一對應，現(xiàn)場布線簡單且工程成本低，降低電池壽命周期內(nèi)的計劃性維護成本，減少人工與設備的大量重復投入，去除人工測量對人身以及電源系統(tǒng)安全帶來的不利因素，特別是減少蓄電池放電測試中中斷外電的情況。4）配套軟件自動分析所監(jiān)測的蓄電池各項參數(shù)，減少蓄電池維護對人員專業(yè)素質(zhì)的苛刻要求。5）獨立的模塊使得監(jiān)控非常靈活，相對于集中式監(jiān)控產(chǎn)品來說在蓄電池數(shù)量少的地方更凸顯優(yōu)勢，適應目前電力、通訊等領域信息化、設備管理網(wǎng)絡化的需求6）Sentinel采用了一個LEM定制的片上系統(tǒng)SoC；高度的集成確保了模塊更高的可靠性和抗干擾性能，模塊質(zhì)保期5年。7）模塊采用脈沖電流放電法測量內(nèi)阻，放電電流小，不但安全且對蓄電池不易造成傷害，模塊可以檢測單個電池的溫度，這是目前市場上的其他同類產(chǎn)品所罕見的。

圖5：柱狀圖顯示網(wǎng)絡中各個電池的電壓、溫度、內(nèi)阻

圖6：連續(xù)記錄電池的電壓、溫度、內(nèi)阻、電流

圖7：Webserver功能4。LEMSentinel蓄電池在線監(jiān)測現(xiàn)場應用案例